羅 優(yōu),雷文韜,丁晶晶,簡(jiǎn)鴻福

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127;2,江西省水利科學(xué)研究院河流湖泊所, 江西 南昌 330029; 3.長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所, 湖北 武漢 430010)

受到地質(zhì)作用和人類活動(dòng)等的影響,河道邊界寬度沿程不斷發(fā)生變化。典型的河道展寬邊界包括存在心灘的分汊河道,水庫(kù)庫(kù)尾、入湖尾閭和入海三角洲,以及山區(qū)到平原的沖積扇等。來(lái)水來(lái)沙條件和邊界條件的不同將促使展寬河道形成不同的淤積現(xiàn)象,比如黃河三角洲河槽變遷及推進(jìn)[1],長(zhǎng)江口心灘淤積造成的多級(jí)分汊[2-4]和贛江三角洲在牽引流條件下的鳥足狀生長(zhǎng)模式[5]等。河道展寬邊界是影響泥沙淤積的重要因素,隨著河道邊界寬度的增加,水流趨緩、挾沙能力下降,河道通過(guò)自動(dòng)調(diào)整作用形成泥沙淤積以減小過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,進(jìn)而提高水流挾沙能力，促成新的平衡[6]?；趽岷痈牡廊肭鄭购庸つＰ驮囼?yàn)的研究成果,本文著重分析逐漸展寬河道邊界條件下淤積形式和河槽擺動(dòng)的沿程變化,并嘗試探討其沿程變化的原因。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)M范圍

撫河改道入青嵐湖河工模型試驗(yàn)在江西省鄱陽(yáng)湖模型試驗(yàn)研究基地開(kāi)展,如圖1所示,在試驗(yàn)中假定撫河B1和B2斷面之間的河道被封堵,于CS2斷面處開(kāi)挖新河道(圖1中紅線為開(kāi)挖邊界線),撫河水流自新開(kāi)挖河道注入青嵐湖,流經(jīng)CS2、CS3、CS4、CS5、CS6、CS7和CS8等斷面?？紤]模型場(chǎng)地及相似性等因素,將模型范圍定為自CS2斷面上游約9 km至CS8斷面下游約7 km處之間的河段,包括撫河下游原河道段(模型進(jìn)口至CS2斷面),新開(kāi)挖河道段及青嵐湖區(qū)段,模擬河道長(zhǎng)度約為27 km,見(jiàn)圖1中白色虛線?；谠囼?yàn)場(chǎng)地限制和試驗(yàn)?zāi)康?青嵐湖右側(cè)湖汊不在模擬范圍內(nèi),在模型試驗(yàn)中以直立墻面作為邊界,即CS7斷面右端為直立墻面。

圖1 模擬區(qū)域和相關(guān)斷面布置

CS1～CS8橫斷面示意圖見(jiàn)圖2,其中斷面CS1、CS2、CS5、CS6、CS7和CS8基于鄱陽(yáng)湖區(qū)2013年實(shí)測(cè)地形;根據(jù)設(shè)計(jì)方案,開(kāi)挖段CS3～CS4為槽底寬度為750 m的規(guī)則梯形斷面,新開(kāi)挖河道總長(zhǎng)4.4 km,底坡0.01%。從圖中可以看出,改道后形成了一條相對(duì)于原河道斷面逐漸展寬的河道邊界,其中原型河道斷面CS1和新開(kāi)挖河道進(jìn)口斷面CS2的主槽面積均小于新開(kāi)挖河道規(guī)則梯形斷面CS3、CS4,而CS5和CS6斷面寬度約1 600 m,約為斷面CS3和CS4的2倍,斷面CS7和CS8寬度則超過(guò)3 500 m。在此根據(jù)河道寬度,將新河道(包括開(kāi)挖段和青嵐湖段)分為上段、中段和下段(圖1)。

圖2 CS1～CS8橫斷面示意圖

1.2 模型比尺及選沙

為保證模型與原型具有相同的紊流流態(tài),需保證模型水流雷諾數(shù)大于2 000;同時(shí)為了不使水面表面張力干擾模型的水流運(yùn)動(dòng),要求模型最小水深大于1.5 cm。基于上述限制條件,確定模型平面比尺為1∶200，垂直比尺為1∶80，變率為2.5,模型長(zhǎng)100 m，寬60 m，占地面積2 700 m2。根據(jù)以往變態(tài)模型的試驗(yàn)成果與原型資料對(duì)比分析研究成果,在變率不大于4且模型寬深比大于5的條件下,變態(tài)模型與正態(tài)模型的水流動(dòng)力軸線、深泓線、沖淤部位和沖淤量基本一致。

基于水流運(yùn)動(dòng)相似和泥沙運(yùn)動(dòng)相似,進(jìn)行了床面糙率調(diào)整和模型選沙。根據(jù)撫河李家渡站1956—2005年輸沙量資料,汛期4—7月期間的輸沙量占全年的80.5%,在此選取李家渡站2008—2012年汛期4～7月期間實(shí)測(cè)懸移質(zhì)粒徑級(jí)配資料,該期間懸移質(zhì)中值粒徑為0.053 mm。從原型懸移質(zhì)起動(dòng)特性來(lái)看,小于0.01 mm的部分約占整個(gè)懸移質(zhì)的14.7%,一般情況難以起動(dòng);從模型沙的物理性能及加工難度來(lái)看,懸移質(zhì)及相應(yīng)模型沙的級(jí)配過(guò)細(xì),存在加工困難以及模型沙板結(jié)、絮凝等問(wèn)題。綜合以上分析,本次試驗(yàn)將懸移質(zhì)模擬下限取為0.01 mm,則懸移質(zhì)中值粒徑為0.060 mm。為了縮短試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間,采用密度為1.053 t/m3左右的輕質(zhì)沙(苯乙烯二乙烯苯)。根據(jù)沉降相似可以得到泥沙粒徑比尺為0.35,即模型沙粒徑大于原型沙,有利于減少試驗(yàn)中泥沙板結(jié),原型懸移質(zhì)中床沙質(zhì)及模型沙粒徑級(jí)配特征值見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證計(jì)算可得,在原型水深為3～7 m時(shí),天然懸沙粒徑d50和對(duì)應(yīng)粒徑模型沙起動(dòng)流速比尺為9.45～10.25,原型沙特征粒徑d90、d75、d25和d10與對(duì)應(yīng)粒徑的模型沙的起動(dòng)流速比尺范圍分別為10.24～11.00、9.56～10.24、9.79～10.81和10.69～11.88,起動(dòng)流速比尺較模型流速比尺8.94有所偏大,但基本滿足試驗(yàn)要求。表2為模型試驗(yàn)主要比尺數(shù)值,其中αγ0為干容重比尺。

表1 原型懸移質(zhì)中床沙質(zhì)及模型沙粒徑級(jí)配特征值 mm

試驗(yàn)時(shí)間變態(tài)率約為26.8,為了盡量減少時(shí)間變態(tài)在非恒定流模擬中帶來(lái)的有效沖沙時(shí)間不足等問(wèn)題,在水沙過(guò)程概化時(shí)兼顧水文過(guò)程相似和概化后各恒定時(shí)段時(shí)長(zhǎng)充足。

1.3 試驗(yàn)水沙過(guò)程及控制

撫河下游年徑流量與年輸沙量呈正相關(guān),年徑流量越大,年輸沙量越大。本次試驗(yàn)選取其中具有代表性的2006年、2008—2012年作為系列年,開(kāi)展河工模型試驗(yàn),其中2006年和2008年為中水中沙年,2009和2011年為小水小沙年,2010和2012年為大水大沙年。采用6年系列年循環(huán)試驗(yàn)方法進(jìn)行動(dòng)床試驗(yàn),每6年或者12年進(jìn)行一次地形測(cè)量。本次試驗(yàn)開(kāi)展了以上系列年的連續(xù)25個(gè)循環(huán)試驗(yàn),模擬150年間改道后新河道地形沖淤變化過(guò)程。系列年內(nèi)流量和尾門水位過(guò)程如圖3所示,其中試驗(yàn)中尾門水位由焦石壩至三陽(yáng)站(約62 km)平面二維數(shù)模計(jì)算成果確定,亦即利用“內(nèi)插法”思想確定。

表2 模型試驗(yàn)主要比尺

注：αt1=αl/αh1/2；αt2≈αlαγ0/αVαs。

圖3 系列年循環(huán)試驗(yàn)流量水位過(guò)程概化

2 淤積形式沿程變化

2.1 平面淤積分布過(guò)程

圖4所示為新河道分別在初始時(shí)刻,淤積30年、48年、66年、78年、90年、114年、138年和150年后河床地形高程變化影像圖。圖中地形高程由11 m—15 m—24 m增加時(shí),顏色由藍(lán)色—白色—紅色轉(zhuǎn)變,黑色線條標(biāo)記為16.5 m等高線。從圖4可以看出,在此期間河道淤積過(guò)程自上而下。

圖4 新河道淤積發(fā)展過(guò)程

試驗(yàn)30年(T=30 a)時(shí),新河道上段出現(xiàn)堤式淤積(位置1),中段出現(xiàn)攔門沙式淤積(位置2)、順壩式淤積(位置3)和點(diǎn)壩式淤積(位置4)。挾沙水流進(jìn)入平原淺水湖泊往往形成帶狀河道,即發(fā)生堤式淤積[7-8];攔門沙式淤積常見(jiàn)于水庫(kù)庫(kù)尾或者河口位置,成為礙航淺灘甚至可能造成溯源淤積[1, 9-11];點(diǎn)壩常常見(jiàn)于彎道凸岸,順壩則是位于河道中心,且兩側(cè)與兩汊水流方向平行[12]。30年至48年間,位置1～4處的淤積體明顯增大,上段側(cè)堤寬度亦發(fā)展擴(kuò)大、接近河道寬度的1/2(16.5 m等高線覆蓋的范圍,后文同),且基本與位置2處的淤積體相連,攔門沙左側(cè)被沖開(kāi);在中段與下段交匯處(位置5,原主流位置)出現(xiàn)大小約為1 400 m×400 m的心灘,心灘與點(diǎn)壩連在一起形成彎道邊界,驅(qū)使主流向右側(cè)擺動(dòng)。48年至66年時(shí),向右側(cè)擺動(dòng)的挾沙水流在主流位置繼續(xù)形成新的心灘(位置6),受此心灘影響主流出現(xiàn)分汊,并在位置7處形成新心灘。66年至78年間,受位置6和位置7心灘的影響,主流改向并在位置8形成新的心灘。90年后,位置5、位置7和位置8這3處淤積體不斷淤長(zhǎng)并連成整體,而河道左側(cè)出現(xiàn)切灘和主流改道現(xiàn)象。114年至150年間,淤積逐漸發(fā)展至下游(3區(qū)),青嵐湖右側(cè)灘地(2區(qū))明顯淤高。顯然,下段出現(xiàn)兩種不同尺度的游蕩式淤積,隨主流擺動(dòng)而依次形成的位置6、7和8處的心灘淤積為相對(duì)小尺度的游蕩；主要淤積區(qū)域的變動(dòng),如1區(qū)(0至48年)、2區(qū)(66至90年)和3區(qū)(114至150年)為相對(duì)大尺度的游蕩。這種淤積部位的游蕩現(xiàn)象常見(jiàn)于沖積扇發(fā)展過(guò)程或者多沙河流河口淤積調(diào)整過(guò)程[13-14]。

圖5 新河道上、中和下段模型試驗(yàn)照片

圖5為新河道上段、中段和下段現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片。圖5(a)所示為上段,圖中右側(cè)泥沙淤積形成側(cè)堤,左側(cè)為主流(帶箭頭藍(lán)色直線指示水流方向,下同);圖5(b)所示為中段,淤積形成的順壩造成河道分汊,主汊位于順壩與點(diǎn)壩之間;圖5(c)所示為下段,位置5、位置7和位置8處的淤積體相連,阻礙水流運(yùn)動(dòng),左側(cè)出現(xiàn)切灘現(xiàn)象并形成新主槽,而右側(cè)存在幾股漫灘溝槽。

圖6 新河道代表斷面橫斷面發(fā)展過(guò)程

2.2 斷面淤積發(fā)展過(guò)程和淤積形式沿程變化

圖6所示為新河道CS3、CS5、CS6和CS7斷面分別在初始時(shí)刻,試驗(yàn)30年、48年、66年、78年、90年、114年、138年和150年后的橫斷面變化。

上段CS3斷面在試驗(yàn)30年時(shí)出現(xiàn)堤式淤積體,左側(cè)為主槽,右側(cè)堤高程達(dá)到17.6 m(淤積厚度約3.6 m);30至150年間,主槽和淤積位置基本不變,淤積體有所增長(zhǎng),淤積增長(zhǎng)速度明顯小于試驗(yàn)初30年;150年時(shí)淤積厚度接近4 m,側(cè)堤寬度接近200 m。總體而言,隨著時(shí)間的推進(jìn),CS3斷面右側(cè)淤積體略有增大。堤式淤積體泥沙主要是通過(guò)對(duì)流作用或紊動(dòng)擴(kuò)散由主河道向堤側(cè)輸移[15-16];從堤式淤積體形成過(guò)程來(lái)看,淤積初期有相對(duì)較多粗顆粒淤積在靠主流一側(cè),隨著淤積體的發(fā)展,淤積主要由漫堤懸沙構(gòu)成,且泥沙越粗,越難被搬運(yùn)到遠(yuǎn)離主流一側(cè),因此堤式淤積體組成在主流一側(cè)較粗,遠(yuǎn)離主流一側(cè)則較細(xì)[17]。

中段CS5斷面在試驗(yàn)30年時(shí)形成順壩和點(diǎn)壩淤積體,順壩頂高程達(dá)到17.2 m,淤積厚度約5.6 m,左側(cè)點(diǎn)壩亦淤高約4.5 m;在30至150年間,主槽位置基本不變,順壩和灘地有所淤高,淤積增長(zhǎng)速度明顯小于試驗(yàn)初30年;150年時(shí)左側(cè)淤積體明顯發(fā)展,淤積高程增加約2 m,順壩處亦增加近1 m。CS6斷面隨著時(shí)間的推進(jìn),斷面形態(tài)發(fā)生了明顯變化,主槽位置出現(xiàn)了調(diào)整，相比上游CS5斷面,順壩高程略有下降。順壩往往由上游向下游發(fā)展延伸,即順壩初始淤積為其下游繼續(xù)淤積提供了水動(dòng)力條件,這種發(fā)展模式使得順壩上游高程大于下游,上游河床組成亦粗于下游[12]。

下段CS7斷面在試驗(yàn)150年內(nèi)淤積不斷發(fā)展,主槽處于形成、擺動(dòng)和消失的不斷調(diào)整中:在試驗(yàn)42年前,僅在左側(cè)(初始主流位置)出現(xiàn)淤積體;而在48年和54年,淤積開(kāi)始向右側(cè)發(fā)展;90年時(shí)斷面兩側(cè)和中間均存在河槽,150年時(shí)斷面中間河槽被淤積消失,左側(cè)變?yōu)橹骱硬邸＝Y(jié)合平面發(fā)展過(guò)程可以得知,河道的形成、擺動(dòng)調(diào)整和消亡與下游淤積體發(fā)展密切相關(guān)。

從淤積發(fā)展過(guò)程看,淤積形式沿程呈現(xiàn)明顯的空間差異,具體表現(xiàn)為:上段以堤式淤積為主,主流位置不變,隨著淤積的發(fā)展側(cè)堤不斷淤寬和淤高,河槽出現(xiàn)一定縮窄;中段出現(xiàn)攔沙坎、順壩和點(diǎn)壩淤積,各淤積體隨著時(shí)間推進(jìn),河道出現(xiàn)分汊,河槽相對(duì)穩(wěn)定,但仍受下段河道擺動(dòng)影響;下段則出現(xiàn)兩種不同尺度的游蕩式淤積,相對(duì)小尺度如隨主流擺動(dòng)形成的位置6、7和8處的心灘淤積,相對(duì)大尺度主要表現(xiàn)為淤積區(qū)域的變動(dòng)(圖4),如1區(qū)(0至48年)、2區(qū)(66至90年)和3區(qū)(114至150年),在沖積扇和河口發(fā)展研究中亦發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象,被認(rèn)為是淤積發(fā)展的自生性過(guò)程[18]。

3 水沙動(dòng)力條件沿程變化

3.1 流速特征分析

李家渡站多年平均徑流量為127.5億m3,多年平均年均流量為404.3 m3/s。年際徑流量變化較大,極值比可達(dá)28之多;年內(nèi)徑流量主要集中在主汛期4—6月,約占全年徑流的53.8%,徑流年內(nèi)分配極不均勻。根據(jù)撫河李家渡站實(shí)測(cè)徑流量資料(1953—2012年)統(tǒng)計(jì)分析,撫河下游2年一遇洪水流量約為4 980 m3/s,常遇洪水約為1 030 m3/s;在常遇洪水條件下,水位基本平灘,而2年一遇洪水條件下則漫過(guò)灘地。

根據(jù)2006、2008—2012年期間的日平均輸沙率Gs和日平均流量Q資料,可求得流量保證率P,采用類似馬卡維也夫的方法,利用Gs取代QmJ進(jìn)行造床流量的分析[19],其中m為系數(shù),J為水面比降。由圖7可以看出,在流量約800～1 200 m3/s(P=6%～13%)時(shí)GsP達(dá)到峰值;同一流量下GsP值變化較大與青嵐湖水位受鄱陽(yáng)湖水位頂托影響有關(guān)?？紤]到常遇洪水(流量約為1 000 m3/s)條件下,水位基本平灘,2年一遇洪水則漫過(guò)灘地,可以初步判斷常遇洪水流量為造床流量。

圖7 撫河下游造床流量分析示意圖

圖8 新河道代表斷面淤積前后流速分布對(duì)比

圖8為新河道上段(CL1)、中段(CL2)和下段(CL3)在常遇洪水和2年一遇洪水條件下淤積前后流速分布對(duì)比,其中常遇洪水條件下由于水深較淺僅在垂線上測(cè)了1個(gè)點(diǎn)流速,2年一遇洪水條件下所測(cè)為表面流速(經(jīng)測(cè)定表面流速與垂線平均流速差值在0.2 m/s范圍內(nèi))。

淤積前,新河道主流區(qū)流速明顯小于原河道,且沿程減小。上段常遇洪水條件下主流區(qū)流速在0.6～0.7 m/s之間,2年一遇洪水流速超過(guò)2 m/s;中段常遇洪水條件下主流區(qū)流速在0.45～0.50 m/s之間,兩年一遇洪水流速超過(guò)1.5 m/s;下段常遇洪水條件下主流區(qū)流速小于0.2 m/s,沒(méi)有進(jìn)行測(cè)量,2年一遇洪水流速接近1.5 m/s。

淤積后(試驗(yàn)150年后),常遇洪水條件下CS8至CS3斷面之間河道水位在17～18.6 m之間,與淤積形成的灘地高程基本一致,亦即常遇洪水流量條件下水位基本平灘,說(shuō)明之前對(duì)造床流量的判斷基本準(zhǔn)確。2年一遇洪水條件下CS8至CS3斷面之間河道水位在18.5～20.4 m之間,高于灘地。表3為原河道主流流速和新展寬河道淤積前后主流流速對(duì)比,可以看出,淤積后常遇洪水條件下主流流速普遍大于1 m/s,在下段甚至達(dá)到1.7 m/s;在2年一遇洪水條件下,上段和下段流速增加不大,而中段增加明顯,主流在左汊。

表3 新河道主流流速對(duì)比 m/s

3.2 泥沙起動(dòng)流速分析

采用式(1)和式(2)計(jì)算塑料沙(d<0.25 mm)的起動(dòng)流速[20],采用張瑞瑾起動(dòng)流速公式(式(3))計(jì)算天然沙的起動(dòng)流速[21],可分別得到模型沙和原型沙起動(dòng)流速,見(jiàn)表4。

(1)

K=1.95lg2d-0.17lgd+0.72

(2)

(3)

式中:K為包括黏聚力作用在內(nèi)的系數(shù)；h為水深；d為粒徑；γs和γ分別為泥沙和水的容重；g為重力加速度。

表4 原型床沙質(zhì)及模型沙起動(dòng)流速

根據(jù)模型試驗(yàn)成果,在造床流量條件下,水位在淤積前約為16.5 m,在淤積后約為18 m,即新河道水深約在2.5～6 m之間。因此,在造床流量條件下,懸移質(zhì)泥沙中值粒徑起動(dòng)流速Ud50在0.5 m/s左右。因此,淤積前,逐漸展寬邊界導(dǎo)致主流流速不斷減小,在造床流量條件下主流流速Uz經(jīng)歷了大于、接近和顯著小于Ud503個(gè)階段;淤積后,Uz明顯都大于Ud10。

Uz與Ud50的強(qiáng)弱關(guān)系是決定河床沖淤調(diào)整的重要指標(biāo),這亦可能是造成逐漸展寬河道初期淤積方式沿程變化的重要因素:當(dāng)Uz大于Ud50時(shí),淤積發(fā)生在非主流位置,形成自然堤,減小過(guò)水?dāng)嗝婷娣e并增加主流流速,促使河道達(dá)到新的平衡;在此淤積調(diào)整過(guò)程中,上游河道水流慣性作用對(duì)河床沖淤調(diào)整方向、主河槽位置起控制作用,堤式淤積體的發(fā)展有助于加強(qiáng)水流慣性。自然堤往往發(fā)生在河控條件下形成的鳥足型三角洲或牽引流條件下形成的鳥足型三角洲內(nèi),這亦說(shuō)明自然堤的形成需要較強(qiáng)的水流慣性[5, 22]。當(dāng)Uz接近Ud50時(shí),主流處出現(xiàn)的初始淤積將改變淤積體附近的水沙動(dòng)力條件,從而促成順壩的形成和發(fā)展,而順壩的發(fā)展亦通過(guò)減小過(guò)水?dāng)嗝婷娣e促使河道形成穩(wěn)定分汊;在此條件下,河道形態(tài)在上游水流慣性作用和淤積體阻礙作用彼此牽制和協(xié)調(diào)下達(dá)到新的平衡。當(dāng)Uz小于Ud50時(shí),主流位置的持續(xù)淤積將促使主流擺動(dòng)調(diào)整,淤積區(qū)域也不斷游蕩;在此條件下,主流位置淤積體發(fā)展阻礙水流甚至造成回淤,是不同尺度淤積游蕩的內(nèi)在動(dòng)力,類似于沖積扇或三角洲拓展過(guò)程中的自生性過(guò)程[23-25]。

4 結(jié) 語(yǔ)

試驗(yàn)進(jìn)行到150年時(shí),青嵐湖基本被淤滿,泥沙開(kāi)始大量向青嵐湖下游輸送,但這并不代表新河道達(dá)到了平衡狀態(tài),因此本文僅是對(duì)改道后的新河道初期淤積調(diào)整規(guī)律進(jìn)行了分析。新河道逐漸展寬邊界內(nèi)在改道初期淤積方式沿程出現(xiàn)變化:上段出現(xiàn)堤式淤積,形成穩(wěn)定單一河道;中段出現(xiàn)攔門沙、點(diǎn)壩和順壩淤積,形成相對(duì)穩(wěn)定的分汊河道;下段出現(xiàn)不同尺度的淤積體及淤積位置的調(diào)整,伴隨著水流切灘和改道現(xiàn)象。造床流量條件下主流流速Uz與泥沙中值粒徑起動(dòng)流速Ud50的大小關(guān)系是決定河床沖淤調(diào)整的重要指標(biāo),在逐漸展寬河道中Uz經(jīng)歷了大于、接近和顯著小于Ud503個(gè)階段,分析認(rèn)為這兩者間大小關(guān)系的沿程變化可能是造成逐漸展寬河道初期淤積方式沿程變化的重要原因。

致謝:特別感謝長(zhǎng)江科學(xué)院魏國(guó)遠(yuǎn)教授和林木松教授對(duì)試驗(yàn)的指導(dǎo),感謝江西省水利科學(xué)研究院河湖所課題組在試驗(yàn)開(kāi)展中付出的艱辛努力,以及武漢大學(xué)鄭珊副教授對(duì)本文寫作的建議。

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